超長運距21.00R35 E2高速工程機械子午線輪胎的開發

趙 君，張燕龍，殷洪鑫

[泰凱英（青島）專用輪胎技術研究開發有限公司，山東 青島 266100]

隨著國內外礦產行業的復蘇，80 t級重型自卸工程機械車輛相對大中型工程機械車輛的作業運行更方便快捷，對路況要求不高，并且前期投入較少，因此得到市場的高度認可，受到終端市場的青睞，整個行業重型自卸工程機械車輛市場保有量以及工程機械輪胎需求量呈現快速增長趨勢。但是，傳統的斜交輪胎存在質量缺陷多、使用壽命短的問題，尤其是面對國外部分超長運距的工況條件，即運輸路線的最大單程運距達到100 km，平均運距在20～70 km，車輛行駛速度最大可達75 km·h-1，斜交輪胎因其自身生熱過高，無法滿足此類工況條件，甚至部分子午線輪胎也因生熱高而出現早期肩空、冠空和爆胎等問題，未達到超長運距條件下對工程機械輪胎的性能要求[1-3]。

為滿足客戶需求并提高公司經濟效益，本工作研發超長運距下使用的21.00R35工程機械子午線輪胎，以期解決斜交輪胎生熱高以及子午線輪胎早期肩空、冠空及爆胎等問題，提高產品性能，為客戶創造更高的價值。

1 技術要求

根據歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO—2018）以及美國輪胎輪輞標準協會標準（TRA—2016），確定21.00R35全鋼工程機械子午線輪胎的技術參數為：標準輪輞 15.00/3.0，充氣外直徑（D′） 2 004（1 970.6～2 037.5） mm，充氣斷面寬（B′） 572（554.8～623.5） mm，標準充氣壓力[適用于E2使用條件（重型自卸車）的輪胎]700 kPa，標準負荷（單胎） 14 500 kg，無內胎輪胎，作業類型為搬運。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

產品結構設計時以經典力學原理作為設計架構，以平衡輪廓設計理論作為數學模型，利用有限元方法進行模擬分析，同時綜合該車型在用戶端的實際使用情況及作業條件，優化得出本設計輪胎的D為1 990 mm，B為568 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b是輪胎與地面直接接觸的平面寬度，b和h對輪胎行駛過程中的穩定性和耐磨性能有較大影響，因此針對超長運距使用條件，為了保證輪胎的耐磨性能與耐熱性能，在產品設計時需對輪胎的接地面積進行平衡，結合有限元分析，對輪胎的接地印痕進行分析優化，確定b和h的最佳值，在提升輪胎耐熱性能的同時保證輪胎的耐磨性能。本次設計b取480 mm，h取13 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

輪胎與輪輞配合的緊密性主要受d和C取值的影響，合適的d和C既可以獲得更好的氣密性、提高胎圈部位的剛性支撐，又能保證輪胎裝卸方便。通常胎圈與輪輞采用過盈配合，本次設計C在標準輪輞寬度的基礎上增大25.4 mm，取406.4 mm。同時，考慮該車型重載、高速的使用條件，為避免胎圈與輪輞間產生滑移，本次設計d取882 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面最寬點，也是輪胎斷面最薄、胎側變形最大的位置，H1/H2的選取對輪胎性能影響較大。H1/H2取值偏小，會導致輪胎胎圈出現較高的疲勞積累，導致輪胎異常損壞；H1/H2取值偏大，易造成輪胎肩部應力集中，導致輪胎出現肩空和脫層等問題。工程機械子午線輪胎的負荷較大，H1/H2一般選取0.73～0.90。考慮到長運距、高速的使用工況，應盡量避免肩部應力集中，減少生熱，因此本次設計H1/H2取0.88。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

該產品為非公路用途，在超長運距、高速工況下使用，輪胎的散熱性能、耐磨性能、自潔性能、牽引性能須優先考慮。因此既要保證輪胎耐熱、耐用，減少輪胎早期失效現象，又要延長輪胎的綜合使用壽命。鑒于工程機械輪胎花紋類型屬于越野花紋，且輪胎適用于山路、礦山、建筑工地、砂地等路面，因此其花紋特點為：（1）行駛面具備良好的牽引性能；（2）較好的耐磨性能；（3）良好的自潔性能，花紋溝不可夾帶石子；（4）較強的抗切割及抗崩花掉塊性能；（5）較好的散熱性能。花紋設計以高速輪胎花紋為基礎，采用4條主花紋溝槽設計，同時肩部花紋塊增加散熱孔，以提升輪胎的散熱性能；采用小塊狀花紋，以提升輪胎的牽引性能；縱向花紋塊之間采用加強筋設計，提升輪胎的抗崩花掉塊性能和耐磨性能；花紋溝底增加防夾石凸臺設計，以提升輪胎的自潔性能。花紋深度取32 mm，花紋飽和度取67.8%，花紋周節數取53。

胎面花紋展開示意見圖2，輪胎三維花紋效果見圖3。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 輪胎三維花紋效果

3 施工設計

3.1 胎面

胎面是輪胎直接接觸地面的部位，對胎面膠的要求一般是使輪胎在行駛時具有良好的耐磨性能、牽引性能及抗刺扎性能。考慮該車型作業工況及方式的特殊性，結合競品的主要失效模式，胎面膠選用生熱相對較低、耐磨性能較好、抗刺扎性能優異的膠料配方，以保證輪胎在超長運距、高速作業狀態下的性能表現良好。對基部膠的要求是生熱低、散熱好、有較高的撕裂強度，且其與帶束層接觸，還應具有良好的鋼絲粘合性能，同時要考慮其與帶束層之間的過渡作用，因此選用低生熱、高定伸和抗撕裂的膠料，既有利于降低輪胎在作業狀態下的生熱，又保證胎面與帶束層之間具有良好的過渡性能。

3.2 帶束層

全鋼工程機械子午線輪胎一般采用4—6層帶束層結構，最貼近胎體的為1#帶束層。1#和2#帶束層為過渡層；3#和4#帶束層為主要受力層，采用強度高、膠料滲透性好的鋼絲簾線；5#和6#帶束層為保護層，采用高伸長鋼絲簾線。帶束層決定了輪胎性能和使用質量。帶束層設計應保證其與胎體簾線有一定的受力分配，以提高輪胎的操縱穩定性、耐磨性能和抗刺扎性能[4-11]。本次設計選擇了4層帶束層結構，其中1#—3#帶束層采用3＋9＋15×0.22＋0.15NT鋼絲簾線，4#帶束層采用4×6×0.25NT HE鋼絲簾線。帶束層安全倍數為7.6，滿足標準要求。

3.3 胎體

胎體骨架材料在輪胎中主要起承載的作用，其中反包胎體高度通常高于斷面水平軸，起到保護胎側，提高承載能力的作用。本次設計考慮重載車型及使用條件，以充氣后輪胎作為設計基礎，采用7×7×0.25＋0.15HT鋼絲簾線。胎體安全倍數為7.1，滿足標準要求。

3.4 胎圈

胎圈主要作用為啟動和制動時，將輪胎緊固在輪輞上，承受輪輞的過盈力。保留傳統工程機械輪胎用六邊形鋼絲圈結構，鋼絲直徑為2.0 mm，覆膠直徑為2.2 mm，胎圈鋼絲根數為183，胎圈的安全倍數為9。

3.5 成型

對于成型工藝主要考慮兩點，一是考慮生產效率，盡可能減少生產過程中物料和人力的浪費，二是考慮生產人員的操作便捷性，降低勞動強度，提升生產工藝的準確性。采用一次法成型機進行生產，可一次性完成單胎的生產流程，效率較高。

3.6 硫化

采用單模蒸鍋式硫化機硫化[12-14]。硫化條件為：內溫 （173±3） ℃，外溫 （143±3） ℃，內壓 （2.8±0.1） MPa，外壓 （0.21±0.02）MPa，總硫化時間 196 min。硫化輪胎外觀質量檢測合格，無過硫和缺膠等現象。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

按GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》測定輪胎外緣尺寸。安裝在標準輪輞上的輪胎在標準充氣壓力下的D′和B′分別為1 996和582 mm，均符合國家標準要求。

4.2 耐久性能

按照GB/T 30193—2013《工程機械輪胎耐久性試驗方法》并結合企業測試標準進行輪胎耐久性試驗，試驗條件見表1，試驗結果要求按國家標準完成前3個階段測試后，輪胎無損壞；企業標準要求測試必須進入第10階段。試驗結果表明，實際測試中輪胎進入第12階段結束，累計行駛152 h后輪胎未損壞。輪胎的耐久性能達到企業標準要求，超過國家標準要求。

表1 輪胎耐久性試驗條件

5 結語

本次針對超長運距、高速使用條件設計開發的21.00R35 E2工程機械子午線輪胎的充氣外緣尺寸滿足國家標準要求，耐久性能滿足企業標準要求，并且遠高于國家標準要求。該產品投入市場使用一段時間后，客戶反饋使用效果良好，肩空和爆胎損壞比例明顯減小，為此類型的礦用輪胎應用提供了有效的解決方案，并為公司帶來了較高的經濟效益。